土石混合料的力学特性*

曹光栩 徐明 宋二祥

(1.清华大学土木工程系,北京 100084;2.清华大学结构工程与振动教育部重点实验室,北京 100084)

我国西部地区在“十一五”期间大量新、迁、扩建机场,整个西部地区机场建设投入资金达数百亿元.与中东部地区相比,在地形、地貌及地质背景条件复杂的云、贵、川、渝、藏等西部地区修建机场面临一系列特殊问题[1]:

(1)由于机场多建于山区,为满足场地条件,飞行区势必要削山填谷,土石方工程量巨大.已建成的九寨黄龙机场最大填方高度达 104m,填方总量2763万m3[2],正在兴建的昆明新机场场区内最大自然高差约210m,最大填方高度约 55m,填方总量更是高达1.31亿m3[3].

(2)机场飞行区填方部分一般划分为道槽区、土面区及边坡稳定影响区,道槽区和边坡稳定影响区要求所用填料压缩性较小并且稳定性好,所以尽量使用石料.但由于挖填方总量大,填料通常就地取材,既有土料又有石料,并且土料一般会多于石料.昆明新机场挖方区中各种土料总计6467万m3,而石料总计只有 3978万m3[3],因此在机场工程中某些较重要填方部位不得不使用土石混合料.如何选择合适的土石混合比,是工程中面临的一个重要问题.

(3)机场填方的工后沉降变形控制要求较高,一般道槽区地基差异沉降按 0.10%～0.15%控制,地基最终沉降量控制在 20～40mm[4].影响填料长期工后沉降变形的因素除了其自身的蠕变特性外,还有其他各种环境因素,如大气降雨、温度升降、风化侵蚀等.西南山区气候湿润,由降雨或地下水浸润所引起的湿化变形是其中影响较大的一个因素,这一现象在堆石坝领域研究较早,很多面板坝在初次蓄水后产生较大的沉降变形,并且在雨季沉降变形有明显增加[5-6].国内已有不少学者针对堆石坝开展了碎石料的湿化变形研究,但专门针对山区高填方土石混合料的湿化变形特性的研究还很少.如何准确分析和计算土石混合料的蠕变以及湿化变形对山区机场工后沉降的影响,是目前亟待解决的问题.

因此,研究山区机场高填方工程中常用的土石混合料的压缩力学特性具有重要的理论意义和实用价值.路堤或堆石坝的填筑过程接近于等主应力比的加载过程[7],用大型三轴仪进行实验模拟比较合适,而山区机场填方工程填筑面积较大,其填筑过程的应力路径与侧限压缩状态十分接近,刘宏[2]、孟莉敏[8]、韩世莲[9]等采用侧限固结仪对九寨黄龙机场和贵州龙洞堡机场工程填料的力学特性进行了研究.另外,由于大型三轴仪操作相对较复杂,薄膜贯入效应[10]以及经常出现的因细微的薄膜漏水[11]而导致的体变量测不准等问题还没有得到很好的解决,因此文中选用大型一维固结仪,通过室内侧限压缩实验来研究不同土石混合比填料的压缩力学特性和浸水湿化变形特性,并对其变形机理进行了初步探讨,为山区大面积高填方工程的设计、施工提供借鉴和参考.

1 实验方案及过程

1.1 实验仪器

实验采用DGJ-1型大型堆石料固结仪,与同类型仪器相比,此固结仪具有以下特点和优势:

(1)采用杠杆加压方式,可以长时间保持荷载不变,而不必担心受到停电等意外因素的影响;

(2)在加载过程中可通过调整平衡装置保持杠杆水平,从而使所加压力始终在竖直方向;

(3)该固结仪直径为200mm,高200mm,属于大型室内实验仪器,可用于最大粒径为 40mm的粗粒料的力学实验,其加载范围较大,可提供的最大竖向压力为1.34MPa;

(4)可通过固结仪外部的有机玻璃管对内部试样进行浸水饱和,并且可以保持水位不变.

1.2 试样制备及实验方案

实验用石料为西部山区常见的石灰岩碎石料,级配根据昆明新机场现场填料级配进行缩尺制备,缩尺方法采用混合缩尺法[12-13]:先用相似级配法把现场级配缩尺到原来的 1/2,再用等量替代法将最大粒径缩尺到40mm.土料选用昆明新机场工程中用量较多的陡坡寺组强风化土料,该土料易碎,现场岩土实验定性为粉质粘土,实验所用级配参照现场的代表性级配,没有缩尺.石料和土料均经过自然风干.制备试样时共分为 4层填筑,每层高度维持在5cm左右.在昆明新机场填方中针对道槽区填料所用强夯能级统一为3000kN◦m,夯点正方形布置间距 4m,每点夯击 10～12次,并且点夯收锤标准按最后两击平均夯沉量不大于 5cm控制,每层填筑厚度为 4m[3].在进行室内试样制备时,通过对试样进行分层试夯,发现夯击能约为 281kJ/m3,可基本达到现场密实度标准.同时,为使不同土石混合比的试样间有可比性,实验中不同试样之间保持这一击实功不变.

共进行两组实验.第一组主要为压缩实验,包括7个独立实验,每个实验使用一种不同混合比的试样.7个试样中石料含量(质量分数,下同)分别为100%、90%、80%、70%、50%、30%和 0%,每个试样所用土料与石料的级配与图 1中土料级配和缩尺后的碎石级配保持一致.竖向荷载在 0.14、0.34、0.54、0.74、0.94和1.14MPa 6个级别进行分级加载;当1.14MPa荷载下的变形稳定后,维持此应力状态不变,从试样底部进行浸水饱和,使其产生湿化变形[14].

图1 石灰岩碎石料和细土料级配曲线Fig.1 Grading curves ofbroken limestone and soil

第二组实验共包括 8个独立实验,所用试样分为 4个纯石料试样和 4个含石量为 90%的土石混合料试样,分别在0.34、0.74、0.94和1.14MPa 4个应力水平下进行浸水饱和.每次湿化变形稳定以后卸载更换试样,之后对新试样分级加载至下一应力水平再进行湿化实验.

因为实际工程最大填方高度约50m,填筑体底层填料的最大竖向应力在 1MPa左右,实验中考虑了此情况,所以加载的最大荷载设定为1.14MPa.另外,由于山区机场填方工程填筑面积较大,其经历的应力路径与侧限压缩状态很接近,所以此次压缩实验的试样可以认为是从高填方体中提取出的一个微元体,其在不同荷载级别下的变形响应相当于高填方体中不同高度微元体的变形响应.

1.3 实验过程

实验的基本操作步骤、数据记录间隔时间以及稳定标准均参照《土工试验规程》(SL 237—1999)[12].

第一组压缩实验的具体过程如下:

(1)固结仪内壁为减小摩擦采用了抛光处理,另外在进行每次实验前将固结仪内壁涂抹一薄层润滑剂,以更好地减少摩擦,底部铺上透水板和滤纸,然后取混合料分4层填入固结仪内.每层高 5cm左右,每层填好后用标准击实锤按照规定的方法进行击实,使锤迹均匀分布于每层.

(2)填满后首先测量试样起始高度,并在试样上部覆盖滤纸、透水板,然后放下加压盖,密合传压活塞及横梁预加10N的压力使各部分紧密接触,装好百分表,调整读数,并记下初始读数.

(3)加第 1级荷载的同时立即开动秒表,按照要求读数,稳定标准参照《土工试验规程》(SL 237—1999)[12]定为最后连续 1h的竖向应变不超过5×10-4.变形稳定后加下一级荷载.

(4)待到第六级荷载下的变形稳定后,保持荷载不变,在外围玻璃管注水对试样进行浸水饱和,并保持外围玻璃管内水面与试样同高,继续读数,稳定标准同上.湿化变形稳定以后卸载,重新更换试样进行下一次实验.

第二组实验的主要操作过程及稳定控制标准与第一组近似,只是进行湿化的荷载级别不同.

2 实验结果及分析

2.1 夯击密实规律

石料含量不同的土石混合料在 281 kJ/m3的夯击能作用下的密度如图2所示.

图2 不同比例的土石混合料在同样击实功下的密度Fig.2 Densities of broken rock-soilmixtureswith differentm ixing ratios under the same compaction work

由图2可见,含石量为80%的混合料比其他几种混合料的密度要大.原因是在纯石料情况下,相对孔隙比较大;随着土料含量的增加,土料不断填充碎石之间的孔隙,导致填料密度不断增大.当土料恰好填充满碎石之间的孔隙时,混合料密度达最大值;而后土料含量若继续增大,较粗大的碎石颗粒逐渐被细土料所包裹,彼此之间不再有局部接触,由于同体积的纯土料的密度低于纯石料,因此此时混合料密度随着土料含量的增大反而降低.

由纯碎石试样的夯实密度石=1.98g/cm3,以及石料的颗粒密度s=2.64g/cm3,可以计算出纯碎石试样的孔隙率n=0.25,因此当细土料恰好填满石料内部孔隙时,两者的体积比 V土∶V石≈1∶3,即此时混合料的密度会出现最大值.再根据实验中测得的纯土料夯击后的密度土=1.64g/cm3,可近似计算出混合料密度出现最大值时土料和石料的混合质量比m土∶m石=2.2∶7.8,该计算值和图2中由实验得到的结果非常接近.

2.2 压缩特性

典型的实验过程见图3.由图3可见,在荷载增量相同的情况下,试样的压缩变形增量越来越小,并且在每一级荷载下发生的沉降主要集中在最初施加荷载的瞬间.不同土石混合料的e-lg1曲线如图4所示,用直线逼近图中每一条压缩曲线,可以得到土石混合料的压缩指数 Cc,表达式[15]如下:

式中:Δe为孔隙比变化量;Δlg1为竖向压应力在对数坐标下的变化量.不同土石混合料压缩指数的拟合结果如图5所示.从图5中可以看出纯石料的压缩指数并不是最小的,而是在石料含量为 70%～80%时,混合料的压缩指数最小.

图3 纯石料分级压缩变形-时间曲线Fig.3 Graded com pression deformation-time curves of pure broken rock

图4 不同比例的土石混合料的e-lg 1曲线Fig.4 e-lg 1 curves of broken rock-soilmixtures with different mixing ratios

图5 不同混合料的压缩指数Fig.5 Compression indexes of broken rock-soilmixtures with differentmixing ratios

另外,也可以根据不同混合料的应力 -应变曲线,取相邻两级荷载变化范围内的应力 -应变关系曲线的割线斜率作为该混合料在此荷载范围内的侧限压缩模量Esi,即

式中:1(i)和ε1(i)分别表示第i级荷载作用下的竖向应力和竖向应变.

不同混合料的压缩模量在各个荷载级别下随石料含量的变化如图6所示.

图6 不同比例的土石混合料在各级荷载下的压缩模量Fig.6 Compression modulus of broken rock-soilm ixtures with differentmixing ratios under different loads

对每一试样进行纵向比较可看出,压缩模量 Esi随着应力水平的增加大致是逐渐增大的,表现出一定的压硬性规律.另外,在同一级荷载级别下不同混合料之间进行横向比较可以发现,当应力水平较高时,随着试样中碎石含量的提高,压缩模量起初缓慢变大,当碎石含量达 30%～50%时出现迅速增大的现象,进而在 50%～80%范围内出现峰值.碎石含量超过80%后,压缩模量基本上都出现了下降.

上述现象的机理是:当碎石含量相对较少时,碎石颗粒之间的直接接触也较少,导致填料整体的压缩模量较小.随着石料含量的增大,碎石颗粒之间的直接接触逐渐增多,传递荷载的比重在不断增大,填料整体的压缩模量此时也是逐渐增大的.当碎石含量增大到能够形成较稳定的传力骨架且石料之间的孔隙被土粒恰好全部充满时,外部压力不仅通过石块相互传递,也可以通过土颗粒进行传递,此时填料整体上表现为压缩模量最大.但是,当填料全部为碎石的时候,外部压力是通过各个石块之间的接触点或面传递的,接触部位压力较大,石块容易发生棱角破碎以及错动,压缩模量反而会出现降低.该机理可用图 7直观表述.表 1中碎石料各粒组实验前后含量的变化说明碎石料受压时发生了颗粒破碎.

图7 土石混合料压缩特性的相应机理Fig.7 Mechaism corresponding to the compression properties of rock-soil aggregatemixture

表1 纯石料试样实验前后级配对比Table 1 Gradation contrastof pure broken rock before and after experiments

2.3 蠕变特性

每级加载瞬间碎石料会产生较大变形,而后变形快速趋于平缓.绘制出各级荷载下压缩变形和时间对数lgt的关系曲线,取曲线的反弯点前后两段曲线的切线的交点对应的时间,作为瞬时弹塑性变形和蠕变变形的分界点[15],经比较发现此分界时间约为1min,所以实验中将每级荷载作用下1min以前的变形作为瞬时弹塑性变形,1min以后的变形作为蠕变变形.不同土石混合料的蠕变应变和时间的典型关系见图8、9.

图8 含石量 50%的土石混合料的蠕变应变-时间对数曲线Fig.8 Creep strain-logarithmic time curves of rock-soil aggregatemixture of with the broken rock contentof 50%

图9 纯土料的蠕变应变-时间对数曲线Fig.9 Creep strain-logarithmic time curves of soil

从图中可以看出,各级荷载下的蠕变应变近似与时间对数呈线性关系:

其中:ε为Δt2和Δt1之间发生的蠕变应变;α为常数,表示其在时间对数坐标下的蠕变速率.通过对比图 8与 9中曲线的平顺性还可看出,这种线性关系随着含石量的降低越来越明显.刘宏等[16]对最大填方高度为 104m的九寨黄龙机场地基 5个月的观测资料用不同的模型进行拟合对比,发现对数函数相关度较高.Sowers等[17]曾对美国14座碎石坝进行了长达几十年的沉降观测,填筑高度 50～100m,填料种类较多,包括灰岩、砂岩、花岗岩等.他们发现这些碎石坝的沉降量和时间对数大致呈线性关系.因此,此次在有限时间的实验条件下所得出的蠕变变形规律符合国内外类似高填方地基实测的沉降发展特征,式(3)可用于类似高填方地基蠕变变形的预测、分析和计算.

对于每一个试样,随着竖向压力的增大,其蠕变速率 α也在不断地增大.分析不同压力下的 α值,可以发现其与竖向应力1大致也呈线性关系:

式中:pa为标准大气压,量纲与竖向应力1相同; k为常数.这种线性关系对于含土量较多的试样最为明显,而对于纯碎石试样线形拟合效果则差得多,如图 10所示.便如此,通过对比不同土石混合料的k值,可以发现当碎石含量在 80%左右时 k具有最小值,如图 11所示,也就是此时填料的蠕变速率随竖向压力增长最慢,而此时恰好也是前面提到的填料密度取得最大值的时候.

图10 α值与 1/pa的关系曲线Fig.10 Relationship betweenαand 1/pa

图11 石料含量与k值的关系曲线Fig.11 Relationship between rock content and k

根据以上实验以及理论分析结果,可以近似计算此类大面积均质填料的填筑体竣工后的蠕变变形.若填筑厚度为 H,竣工时刻为t0,填料均一,且不考虑填筑过程对蠕变的影响,那么其竣工后至某一时刻 t的蠕变变形值可以用下式计算:

设填料重度为γ,埋深为z,厚度为dz的一薄层土单元的竖向应力可写为

将式(6)代入式(5)可得

当然,如果在填筑厚度H范围内填料种类有多种,那么式(5)-(7)中的k值以及填料竖向应力计算都会有所不同,应该针对每种填料分层积分,然后再将各个填料的蠕变计算值累加.

2.4 湿化变形特性

不同的土石混合料在1.14MPa下浸水大约1h的湿化应变(εw)如图12所示.

图12 不同混合料的湿化应变-时间曲线Fig.12 Wetting strain-time curves of different rock-soil aggregatemixtures

由图12可见,纯碎石在1.14MPa的竖向压力下浸水1h的湿化应变接近 5.0×10-3,远比蠕变沉降量大.考虑到碎石填料主要用于机场跑道下的道槽区,其湿化变形可能带来很大的工后沉降,是不可忽略的,因此必须在设计和施工阶段采取措施.另外,湿化变形对混合填料中细土料的含量比较敏感,图中含土量10%的填料的湿化变形在1 h内比纯石料增长近一倍,而含土量 20%的填料湿化变形更大,只经过1h就达到1%以上,并且尚未稳定,仍在持续增大.随着含土量的增大,试样的渗透性总体上逐渐减小,湿化变形达到稳定所需要的时间也越来越长.

不同荷载下碎石料及含石量为 90%的土石混合料的湿化应变-时间曲线如图13所示.

图13 不同荷载下各试样的湿化应变-时间曲线Fig.13 Wetting strain-time curves of samp les under different loads

由图 13可见,湿化应变随着竖向荷载的增大也是逐渐变大的,经比较发现其与竖向荷载间基本满足下面的函数关系:

式中:m、n为实验参数,拟合效果见图14.

图14 土石混合料湿化应变-荷载曲线Fig.14 Wetting strain-load curves of broken rock-soilmixtures

另外,湿化应变与土石混合料中石料母岩岩性、土石各自级配、土石混合比及初始含水量等均有直接关系,所以对于不同填方工程应选取现场典型填料进行湿化变形实验,以此实验结果为依据对填方体的湿化变形进行预测和评价.

夯实后的土石料产生的湿化变形主要来自两方面:一是由于水分的浸润导致颗粒强度的降低,在较大荷载作用下发生土石颗粒的破碎,引起颗粒排列的进一步调整[18];二是因为水分的润滑作用导致颗粒接触部位的摩擦系数降低,从而使颗粒之间发生进一步的错动滑移.当然,应力水平越高,土石颗粒发生破坏和滑移的几率越大,因而引起的湿化变形也越大.

目前在国内以碎石料为主要填料的山区高填方一般是在相对干燥状态下分层填筑而成的,对工后可能发生的湿陷沉降没有给予足够重视.研究湿化变形最早同时也是较多的是堆石坝领域,许多面板坝蓄水运行多年以后由于产生较大湿化变形使面板出现了开裂,李广信、殷宗泽等[14,19]都针对堆石坝碎石料的湿化变形做过研究,但对土石混合物湿化变形的研究还很少见.虽然其他高填方工程不像堆石坝那样长期频繁受到水分的浸润作用,但我国西南地区地下水文地质条件复杂,大面积的高填方施工极可能改变或堵塞原有的地下水的渗流通道,造成地下水位上升[20];强降雨也将导致地表水下渗.通过此次实验可以看出不同土石比的填料都存在较明显的湿化变形,而较大的湿化变形对填筑体的变形、稳定将产生较大影响,特别是一些对工后沉降要求很高的机场、高速铁路和高速公路等工程影响将会更大,所以在山区高填方工程中对由填料的湿化变形引起的长期工后沉降必须给予足够的重视,并积极开展相应的研究.

3 结语

文中以山区高填方工程为背景,通过不同土石混合比填料的侧限实验,研究了土石混合料的压缩、蠕变和湿化等特性,结果表明:

(1)土石混合填料中石料含量达到 70%～80%时,填料的密度达最大值,并且表现出较小的压缩性.

(2)混合填料的蠕变变形与时间对数大致呈线性关系;另外,蠕变速率随应力水平的提高不断增大,与应力水平之间也大致线性相关.

(3)较高应力水平下,碎石料的湿化变形是不可忽略的.土石混合料所受荷载大小以及其中细土料的含量等都对混合料的湿化变形有明显的影响.较大的湿化变形对填方体的变形、稳定都有很明显的影响,尤其是机场、高速公路等对工后沉降要求很严格的工程.所以在以碎石料或土石混合料为主要填料的此类山区高填方工程中,应对由填料湿化变形引起的长期工后沉降给予高度重视.

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